Il complesso venne costruito dagli Spagnoli tra la fine del XVI e gli inizi del XVII secolo, dopo che Porto Santo Stefano entrò a far parte dello Stato dei Presidii. Il luogo scelto per la costruzione della struttura fortificata difensiva era già stato scelto dai Senesi per la realizzazione della Torre di Santo Stefano durante il XV secolo.
Della preesistente torre furono utilizzati alcuni materiali edilizi dopo la sua demolizione voluta dagli Spagnoli perché non ritenuta all'altezza del più efficiente sistema difensivo costiero in fase di realizzazione. I lavori di costruzione del complesso difensivo andarono tuttavia avanti molto a rilento, terminando soltanto nel 1636 con alcune modifiche migliorative apportate dopo l'elaborazione di un successivo progetto migliorativo dell'ingegnere militare Pedro Álvarez. La fortificazione svolse efficacemente per secoli le sue funzioni difensive, riuscendo in varie circostanze a resistere e a respingere attacchi ed incursioni nemiche provenienti dal mare.
All'inizio del XIX secolo i Francesi potenziarono la struttura difensiva per resistere ad eventuali assalti di navi britanniche durante il periodo napoleonico. In seguito, l'intero territorio entrò a far parte del Granducato di Toscana e i Lorena effettuarono alcuni interventi di restauro delle pavimentazioni. Dopo l'Unità d'Italia, la fortezza continuò a svolgere le funzioni militari divenendo un presidio strategico durante la prima guerra mondiale, mentre nel dopoguerra della seconda guerra mondiale furono aggiunti i due corpi di fabbrica sulla terrazza più elevata per ospitare temporaneamente gli uffici comunali a seguito dei pesanti bombardamenti che avevano interessato l'intero abitato.
Una serie di restauri portati avanti nella seconda metà del XX secolo hanno permesso di riportare l'intero complesso agli antichi splendori, e dal 1997 è adibito a complesso museale con l'inaugurazione di mostre su argomenti del territorio.
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